До недавнего времени однофотонные источники, обеспечивающие неклассические управляемые состояния света, были довольно сложными устройствами, воспроизводимыми лишь в лабораториях при условии глубокого охлаждения фотодетектора и излучающего полупроводника (обычно квантовых точек). Но недавно группе японских исследователей под руководством Н. Мицуочи из Японского научно-технического агентства впервые удалось создать эффективный источник однофотонного светового импульса, работающий при комнатной температуре (кратко об этом мы уже писали).

Как известно, алмазы — диэлектрики, но преднамеренное создание в них включений из других материалов (допирование) способно придать им электропроводность. Исследователи комбинировали три различных типа допированных алмазов в одном светодиоде. Один из этих промышленных алмазов имел включение азота.

Он-то и сыграл ключевую роль в электролюминисцентном получении одиночного фотона: под действием электрического поля алмаз с азотным допированием испустил одиночный фотон.

Рис. 1. По сути, это полупроводник на базе допированных промышленных алмазов. Учитывая малые размеры диода, он вряд ли будет очень дорогим. (Рисунок N. Mizuochi).

Хотя внешне это сходно с работой светодиода, в действительности налицо существенные различия.

Обычный светодиод — это комбинация полупроводников n- и p-типа (в первом носителем заряда являются электроны, а во втором — дырки).

Два допированных алмаза, использованных в исследовании, также представляют собой полупроводники n- и p-типа, а вот третий — чистый. Все три элемента диода отделены друг от друга электродами из золота, платины и титана. При перекомбинировании электронов и дырок в полупроводниковых алмазах собранный диод испустил фотон, причём его источником был именно алмаз, драпированный азотом по типу азото-замещённой вакансии. Как это происходит?

Дефект азото-замещённой вакансии в алмазе включает в себя вакансию решётки со связанным с ней атомом азота. Размер решётки — примерно 3,5 Å. Атом азота имеет пять валентных электронов: три из них ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода, а два — с вакансией. Дополнительный электрон он захватывает со «стороны» (видимо, от другого атома азота). Иногда он теряет этот электрон, превращаясь в нейтральный. Как удалось установить в ходе эксперимента, под действием электрического поля такая вакансия в алмазе испускает одиночный фотон.

Теоретический механизм подобного однофотонного излучения до конца неясен, но его практическая значимость очевидна уже сейчас. Это первый зарегистрированный случай эмиссии одного фотона при комнатной температуре, да и стоимость малых промышленных алмазов не столь велика в сравнении с традиционными диодами.

Чтобы повысить эффективность своих эмиттеров, исследователи намерены создать на их базе нанонити, которые позволят интенсифицировать поток зарядов и тем самым приблизят алмазные диоды к производительности квантовых точек.

Если это удастся, впервые реально можно будет говорить о квантовой электронике, работающей при комнатной температуре.

Отчёт об исследовании представлен в статье:

N. Mizuochi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P. Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup & S. Yamasaki Electrically driven single-photon source at room temperature in diamond. – Nature Photonics. – 2012. – 6. – P.~ 299–303; doi:10.1038/nphoton.2012.75; Published online 15 April 2012.